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北京澤華化學(xué)工程有限公司 2009-07-01 點擊5437次
工業(yè)粉體爆炸防護(hù)技術(shù)與應(yīng)用
陳林1 陳曉紅2 張紅軍2
（1北京澤華化學(xué)工程有限公司廣州分公司，廣州 510240 2 北京澤華化學(xué)工程有限公司上海分公司，上海 200030）
摘 要：介紹了工業(yè)粉體防護(hù)的爆炸防護(hù)技術(shù)，闡述了不同爆炸防護(hù)措施的應(yīng)用及其所用的防爆設(shè)備，重點闡述了爆炸抑制系統(tǒng)的特點及在粉體防護(hù)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：粉體；遏制；泄放；抑制；隔離; 爆炸抑制系統(tǒng)
在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的許多粉末和灰塵在空氣中與氧氣混合后,在達(dá)到一定 的濃度時，如有火源存在，就會產(chǎn)生爆炸事故。在工業(yè)上，在處理、輸送或儲存某些原料時都是通過結(jié)構(gòu)輕型的設(shè)備 ，但這些設(shè)備都不是設(shè)計成能抵抗由于粉塵在極短時間內(nèi)爆炸所產(chǎn)生的高壓，所以必須 采取安全的防護(hù)措施來保護(hù)這些設(shè)備，以處理這些易燃的固體顆粒。
常見的危險性原料，如塑料、墨粉、染料和調(diào)色劑、殺蟲劑、含碳粉、藥劑、谷物、食糖、可可粉、面粉、奶粉、淀粉和木屑等，通過它們的“最大爆炸壓力指數(shù)Pmax值”和“爆燃指數(shù)Kst值”來評估后,發(fā)現(xiàn)都存在著重大的爆炸風(fēng)險。這兩個指數(shù)是粉塵燃燒能量的一個評估指標(biāo)，用來給所有的粉塵爆炸保護(hù)及預(yù)防應(yīng)用方面確定合適的防護(hù)措施。
在處理易燃易爆粉塵時存在風(fēng)險的典型的設(shè)備有：反應(yīng)器、磨粉機(jī)、烘箱、混合器、篩選機(jī)、研磨機(jī)、攪拌器、粉碎機(jī)、干燥機(jī)、過濾器、粉塵收集器、和旋風(fēng)分離器。原料的處理設(shè)備如旋風(fēng)分離器和斗式提升機(jī)都必須和儲存設(shè)備如低壓儲槽、儲存箱、料倉一起納入保護(hù)和預(yù)防的方案中。實驗室和實驗性工廠設(shè)備，比如罩體、手套盒、試驗密室在處理易燃粉塵時也都存在風(fēng)險。
現(xiàn)在以美國BS&B安全系統(tǒng)有限公司的粉塵防爆和抑爆產(chǎn)品作為例子，來簡單闡述工業(yè)粉體爆炸保護(hù)和預(yù)防的技術(shù)以及應(yīng)用。
常用的防護(hù)措施或方案主要有四種：遏制、泄放、抑制、隔離。其中泄放分為正常情況下的壓力泄放和無火焰泄放；隔離分為機(jī)械隔離和化學(xué)隔離。主要防護(hù)設(shè)備包括：防爆板（Explosion Panel）、防爆門(Explosion Vent)、無焰泄放系統(tǒng)(Flameless Venting)、隔離閥(Explosion Isolation Valve)以及抑爆系統(tǒng)(Explosion Suppression Systems)。在實際應(yīng)用中，并不是每一種防護(hù)措施單獨使用，往往采用多種防護(hù)措施進(jìn)行組合運用，以達(dá)到更可靠更經(jīng)濟(jì)的防護(hù)目的。
在具體介紹粉體防護(hù)措施前，我們先來認(rèn)識下粉體產(chǎn)生爆炸的要素和防護(hù)原理。首先，構(gòu)成爆炸的三要素為：可燃物料、火源、氧化劑，缺一不可。
其次，我們要對處理的原材料進(jìn)行危險性評估，以確定采取的防護(hù)措施.以下表格是對比較有代表性的原材料易爆指標(biāo)評估的例子,其中“最大爆炸壓力指數(shù)Pmax值”和“爆燃指數(shù)Kst值”越大，表示該原料危險性越大，越容易爆炸，越是要采取防護(hù)措施。
對于評估過的易燃易爆物料，就應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，從前面我們知道有四種方案：遏制、泄放、抑制和隔離。從 下圖我們可以看出，沒有采取任何防護(hù)措施和采取了防護(hù)措施的爆炸事故所產(chǎn)生的爆炸壓力的大小?？梢钥闯鰜?，沒有采取任何防護(hù)措施任其發(fā)展的爆炸產(chǎn)生的爆炸壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采取防護(hù)措施的爆炸產(chǎn)生的爆炸壓力，危害性更大。通過比較，一個不采取任何防護(hù)措施的農(nóng)業(yè)粉塵的爆炸通常會在小于1/4秒（該數(shù)值對于各種易燃粉塵而不同）的時間內(nèi)達(dá)到高于8bar的爆炸壓力。 所以我們對危險性物料進(jìn)行防護(hù)是必需的。
下面我們對遏制、泄放、抑制和隔離四種防護(hù)措施和其組合措施，以及所采用的防爆設(shè)備逐一進(jìn)行介紹：
首先，對于遏制，就是在設(shè)計、制造粉體處理設(shè)備的時候采用增加設(shè)備厚度的方法以增大設(shè)備的抗壓強(qiáng)度，但是這種措施往往以高成本為代價，在金屬材料價格日益昂貴的今天，采用這種措施顯然是非常不經(jīng)濟(jì)的。
其次，對于泄放，包括正常泄放和無焰泄放，是利用防爆板、防爆門、無焰泄放系統(tǒng)對所保護(hù)的設(shè)備在發(fā)生爆炸的時候采取的主動爆破，泄放爆炸壓力的辦法進(jìn)行泄壓，以達(dá)到保護(hù)粉體處理設(shè)備的安全。防爆板通常用來保護(hù)戶外的粉體處理設(shè)備，如粉塵收集器、旋風(fēng)收集器等，壓力泄放的時候并隨有火焰以及粉體的泄放，可能對人員和附近設(shè)備產(chǎn)生傷害和破壞；防爆門通常用來保護(hù)處理粉體的車間建筑，以達(dá)到整個車間避免產(chǎn)生粉體爆炸；對于處于室內(nèi)的粉體處理設(shè)備，有時對泄放要求非常嚴(yán)格，不能產(chǎn)生火焰、物料泄放或者沒有預(yù)留泄放空間的情況下，通常會采用無焰泄放系統(tǒng)，以達(dá)到保護(hù)人員以及周圍設(shè)備的安全。
第三，對于抑制，爆炸抑制系統(tǒng)是在爆燃現(xiàn)象發(fā)生的初期（初始爆炸）由傳感器器及時檢測到，通過發(fā)射器快速在系統(tǒng)設(shè)備中噴射抑爆劑，從而避免危及設(shè)備乃至裝置的二次爆炸，通常情況下爆炸抑制系統(tǒng)與爆炸隔離系統(tǒng)一起組合使用。抑制就是利用了爆炸需要的三要素以及原理。根據(jù)這個原理，爆炸需要完整的三個要素，并在適當(dāng)?shù)臈l件下產(chǎn)生爆炸。所以要抑制爆炸的發(fā)生，必須取消三要素中的一個要素。一種措施是往粉體處理設(shè)備內(nèi)部注入惰性氣體如N2、CO2等代替空氣，從而降低氧化劑：氧氣O2的含量，以達(dá)到抑制爆炸的目的；另一種措施是取消易燃易爆物料，但是這是不可能的，因為設(shè)備本身就是用來處理該物料的。所以以上兩種措施都是不可能或者很難做到的，所以我們一般采用最簡單的措施，就是取消其中的一個重要要素：火源，從而抑制爆炸的發(fā)生。這就要采用爆炸抑制系統(tǒng)，最簡單的爆炸抑制系統(tǒng)是由四個單元組成：監(jiān)視器、傳感器、發(fā)射器和電源。
四個單元各自的功能分別為：監(jiān)視器可以提供可視或者可聽的警報，對整個系統(tǒng)的激活、密封故障、氣壓和電源故障進(jìn)行監(jiān)視，而且發(fā)射器的發(fā)射不是由監(jiān)視器觸發(fā)，而是由傳感器直接觸發(fā)，從而大大縮短了抑爆系統(tǒng)的反應(yīng)時間。傳感器由三個朝向不同方向的壓力傳感器組成，其中一個設(shè)定在低壓狀態(tài)，兩個設(shè)定在高壓狀態(tài)，必須同時有其中兩個壓力傳感器被激活時，整個系統(tǒng)才被觸發(fā)，從而避免誤操作的發(fā)生。發(fā)射器由抑爆劑筒、氣體罐（充滿低壓氮氣200Psi-300Psi）、電子控制器組成，而且抑爆劑（碳酸氫鈉粉末）和壓力氣體分開儲存，這樣避免使用者在檢查和維護(hù)的時候不處于受壓系統(tǒng)的危險之中。電源給整個系統(tǒng)供電，可以由交流電輸入轉(zhuǎn)換成24V直流電，也可以直接使用電池，另外還有三個繼電輸出端，一個顯示交流電的供應(yīng)情況，一個顯示系統(tǒng)是否有故障，一個顯示系統(tǒng)是否在工作。這四個單元即可組成一個最簡單的抑爆系統(tǒng)，但是有時要保護(hù)的范圍很大，就需要增加發(fā)射筒，一個傳感器最多可以連接十個發(fā)射筒。
粉體爆炸的形成和發(fā)展的過程是這樣的：在密閉的工業(yè)設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的許多粉末和灰塵與空氣中的氧氣混合，假如達(dá)到適當(dāng) 的濃度，萬一產(chǎn)生了火花，就會由火花發(fā)展成小火球，如不抑制就會由小火球發(fā)展成大火球，并伴隨有高溫高壓的產(chǎn)生，當(dāng)壓力升高到一定程度，超出了設(shè)備的抗壓強(qiáng)度，就會發(fā)生爆炸。在此過程中，升高的壓力會產(chǎn)生沖擊波，而且沖擊波的傳播速度遠(yuǎn)大于火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，利用這個原理，讓抑爆系統(tǒng)的傳感器及時探測到?jīng)_擊波，在火焰還沒有時間發(fā)展成爆燃的時候，發(fā)射器噴射出抑爆劑（碳酸氫鈉），將火焰噴滅，從而避免小火球演變成大火球，甚至形成爆炸，從而破壞設(shè)備，甚至危害到人身安全。
抑爆系統(tǒng)通俗來說相當(dāng)于一個自動滅火器，但是在這里要滅的不是熊熊烈火而是發(fā)生爆炸前期的小火球。當(dāng)安裝在粉體設(shè)備上的傳感器探測到設(shè)備內(nèi)部發(fā)生火花，使得燃料燃燒，形成小火球，即將要發(fā)展成大火球產(chǎn)生爆炸的瞬間，馬上發(fā)出一個指令給發(fā)射筒，發(fā)射筒馬上會向設(shè)備內(nèi)部噴出滅火劑，把要引發(fā)爆炸的火花熄滅，從而抑制了爆炸的發(fā)生。
第四，對于隔離，分為機(jī)械隔離和化學(xué)隔離兩種，往往和抑爆系統(tǒng)一起應(yīng)用。
隔離就是把有爆炸危險的設(shè)備與相連的設(shè)備隔離開，從而避免爆炸的傳播，產(chǎn)生二次爆炸。一般在設(shè)備的物料入口安裝化學(xué)隔離，在設(shè)備的物料出口安裝機(jī)械隔離閥?；瘜W(xué)隔離和抑爆系統(tǒng)中的發(fā)射筒相同，只是一般為45°安裝；機(jī)械隔離閥類似于常見的閘閥。
在現(xiàn)代工業(yè)中，我們給粉體設(shè)備做防爆措施，不能只單獨考慮某一個設(shè)備，要從整體出發(fā)，要作為一個防爆系統(tǒng)工程來設(shè)計，所以往往需要采取多種方案組合應(yīng)用。如泄放和機(jī)械隔離方案、泄放和化學(xué)隔離方案、無焰泄放和機(jī)械隔離方案、無焰泄放和化學(xué)隔離方案、抑制和機(jī)械隔離方案等等，也可能需要所有方案的集合體。
美國BS&B公司作為安全泄放技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，對于工業(yè)粉體爆炸防護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)的義務(wù)和責(zé)任是全面的，包含：
? 爆炸預(yù)防和保護(hù)技術(shù)的設(shè)計和制造
? 支持、影響著該領(lǐng)域的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展
? 給業(yè)主、操作人員、設(shè)備制造商和工程顧問以及承包商提供工程建議和服務(wù)
? 給客戶提供全球網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)
? 以最好的工程經(jīng)驗進(jìn)行風(fēng)險評估
綜上所述，在工業(yè)高速發(fā)展的今天，伴隨的粉體爆炸事故日益增加，非常普遍，并且給工業(yè)帶來了巨大的損失，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了火災(zāi)帶來的危害。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)如NFPA68、NAPA69、NFPA654規(guī)范的指導(dǎo)，為了工業(yè)的安全生產(chǎn)，為了人身和設(shè)備的安全，又由于爆炸的不確定性，我們務(wù)必提高安全防范意識，在設(shè)計、制造、使用帶危險性的粉體設(shè)備時，應(yīng)當(dāng)給工業(yè)粉體設(shè)備上保險：采取合適的防護(hù)措施進(jìn)行防爆！
參考文獻(xiàn)：
1). NFPA 654: Standard for the Prevention of the Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing and Handling of Combustible Particulate Solids
2). NFPA 68: Venting of Deflagrations
3). NFPA 69: Explosion Prevention Systems
第一作者：陳林，澤華廣州分公司任職，中國區(qū)IPD產(chǎn)品經(jīng)理，電話：020-61225153-202，郵箱：chenlin@zehua-chem.com